Співіснування людини з навколишнім середовищем і сталий розвиток глобальної економіки спонукають людей шукати засоби пересування з низьким рівнем викидів і ресурсозберігаючими засобами, і використання електромобілів, безсумнівно, є перспективним рішенням.
Сучасні електромобілі — це комплексні продукти, які об’єднують різні високотехнологічні технології, такі як електрика, електроніка, механічне керування, матеріалознавство та хімічна технологія. Загальна робоча продуктивність, економічність і т.д. в першу чергу залежать від системи акумулятора та системи керування двигуном. Система приводу двигуна електромобіля зазвичай складається з чотирьох основних частин, а саме контролера. Силові перетворювачі, двигуни та датчики. В даний час двигуни, що використовуються в електричних транспортних засобах, зазвичай включають двигуни постійного струму, асинхронні двигуни, реактивні двигуни та безщіточні двигуни з постійними магнітами.
1. Основні вимоги електромобілів до електродвигунів
Робота електромобілів, на відміну від загального промислового застосування, дуже складна. Тому вимоги до системи приводу дуже високі.
1.1 Двигуни для електромобілів повинні мати такі характеристики: велика миттєва потужність, сильна здатність до перевантаження, коефіцієнт перевантаження від 3 до 4), хороші характеристики прискорення та тривалий термін служби.
1.2 Двигуни для електромобілів повинні мати широкий діапазон регулювання швидкості, включаючи зону постійного крутного моменту та зону постійної потужності. У зоні постійного крутного моменту високий крутний момент потрібен під час руху на низькій швидкості, щоб відповідати вимогам старту та підйому; у зоні постійної потужності потрібна висока швидкість, коли необхідний низький крутний момент для задоволення вимог високошвидкісного водіння рівними дорогами. Вимагати.
1.3 Електричний двигун для електричних транспортних засобів повинен мати можливість реалізувати рекуперативне гальмування, коли транспортний засіб сповільнюється, відновлювати та повертати енергію до батареї, щоб електричний транспортний засіб мав найкращий рівень використання енергії, якого неможливо досягти в автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння. .
1.4 Електродвигун для електромобілів повинен мати високий ККД на всьому робочому діапазоні, щоб збільшити запас ходу на одному заряді.
Крім того, також вимагається, щоб електродвигун для електромобілів мав хорошу надійність, міг працювати тривалий час у жорстких умовах, мав просту конструкцію та був придатний для масового виробництва, мав низький рівень шуму під час роботи, був простим у використанні і обслуговувати, і дешево.
2 Типи та способи керування електродвигунами електромобілів
2.1 DC
Двигуни Основними перевагами щіткових двигунів постійного струму є просте керування та сучасні технології. Він має відмінні характеристики керування, незрівнянні з двигунами змінного струму. У ранніх електричних транспортних засобах переважно використовуються двигуни постійного струму, і навіть зараз деякі електромобілі все ще працюють від двигунів постійного струму. Однак через наявність щіток і механічних комутаторів це не тільки обмежує подальше покращення перевантажувальної здатності та швидкості двигуна, але також вимагає частого обслуговування та заміни щіток і комутаторів, якщо він працює протягом тривалого часу. Крім того, оскільки втрати існують на роторі, важко розсіювати тепло, що обмежує подальше покращення співвідношення крутного моменту двигуна до маси. З огляду на зазначені вище дефекти двигунів постійного струму, двигуни постійного струму в основному не використовуються в нещодавно розроблених електромобілях.
2.2 Трифазний асинхронний двигун змінного струму
2.2.1 Основні характеристики трифазного асинхронного двигуна змінного струму
Трифазні асинхронні двигуни змінного струму є найбільш широко використовуваними двигунами. Статор і ротор ламіновані листами кремнієвої сталі, і між статорами немає контактних кілець, комутаторів та інших компонентів, які контактують один з одним. Проста структура, надійна робота та довговічність. Потужність асинхронного двигуна змінного струму дуже широка, а швидкість досягає 12000 ~ 15000 об/хв. Можна використовувати повітряне або рідинне охолодження з високим ступенем свободи охолодження. Він має хорошу адаптивність до навколишнього середовища та може реалізувати регенеративне гальмування зі зворотним зв'язком. У порівнянні з двигуном постійного струму тієї ж потужності ефективність вища, якість знижується приблизно вдвічі, ціна дешева, а технічне обслуговування зручне.
2.2.2 Система контролю
асинхронного двигуна змінного струму Оскільки трифазний асинхронний двигун змінного струму не може безпосередньо використовувати живлення постійного струму, що подається від батареї, а трифазний асинхронний двигун змінного струму має нелінійні вихідні характеристики. Тому в електричному транспортному засобі, що використовує трифазний асинхронний двигун змінного струму, необхідно використовувати силовий напівпровідниковий пристрій в інверторі для перетворення постійного струму в змінний струм, частоту та амплітуду якого можна регулювати, щоб реалізувати керування змінним струмом. трифазний двигун. В основному існує метод керування v/f та метод керування частотою ковзання.
За допомогою методу векторного керування контролюють частоту змінного струму обмотки збудження трифазного асинхронного двигуна змінного струму та регулювання клем входу трифазного асинхронного двигуна змінного струму, магнітний потік і момент обертового магнітного поля. трифазного асинхронного двигуна змінного струму контролюються, і реалізується зміна трифазного асинхронного двигуна змінного струму. Швидкість і вихідний крутний момент можуть відповідати вимогам щодо характеристик зміни навантаження та можуть отримати найвищу ефективність, так що трифазний асинхронний двигун змінного струму може широко використовуватися в електричних транспортних засобах.
2.2.3 Недоліки
Трифазний асинхронний двигун змінного струму Споживана потужність трифазного асинхронного двигуна змінного струму велика, а ротор легко нагріти. Необхідно забезпечити охолодження трифазного асинхронного двигуна змінного струму під час високошвидкісної роботи, інакше двигун буде пошкоджено. Коефіцієнт потужності трифазного асинхронного двигуна змінного струму низький, тому коефіцієнт вхідної потужності пристрою перетворення частоти та напруги також низький, тому необхідно використовувати пристрій перетворення частоти та напруги великої ємності. Вартість системи управління трифазного асинхронного двигуна змінного струму значно вища, ніж самого трифазного асинхронного двигуна змінного струму, що збільшує вартість електромобіля. Крім того, регулювання швидкості трифазного асинхронного двигуна змінного струму також погане.
2.3 Безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом
2.3.1 Основні характеристики безщіткового двигуна постійного струму з постійним магнітом
Безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом є високопродуктивним двигуном. Його найбільшою особливістю є те, що він має зовнішні характеристики двигуна постійного струму без механічної контактної структури, що складається з щіток. Крім того, він використовує ротор з постійним магнітом, і немає втрат збудження: нагріта обмотка якоря встановлена на зовнішньому статорі, який легко розсіює тепло. Тому безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом не має комутаційних іскор, радіоперешкод, має тривалий термін служби та надійну роботу. , простота обслуговування. Крім того, його швидкість не обмежена механічною комутацією, і якщо використовуються повітряні підшипники або підшипники з магнітною підвіскою, він може працювати зі швидкістю до кількох сотень тисяч обертів на хвилину. У порівнянні з безщітковою системою двигуна постійного струму з постійним магнітом, він має вищу щільність енергії та вищу ефективність, а також має гарну перспективу застосування в електромобілях.
2.3.2 Система керування безщітковим двигуном постійного струму з постійними магнітами
типовий безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом є квазірозв'язуваною векторною системою керування. Оскільки постійний магніт може генерувати тільки магнітне поле з фіксованою амплітудою, система безщіткового двигуна постійного струму з постійним магнітом є дуже важливою. Він підходить для роботи в області постійного крутного моменту, як правило, з використанням поточного гістерезису або методу SPWM типу зворотного зв'язку за струмом. Щоб ще більше збільшити швидкість, безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом також може використовувати контроль ослаблення поля. Суть управління ослабленням поля полягає в тому, щоб змінити фазовий кут фазного струму, щоб забезпечити потенціал розмагнічування прямої осі для ослаблення потокозчеплення в обмотці статора.
2.3.3 Недостатність
Безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом На безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом впливає і обмежує процес виготовлення матеріалу постійного магніту, що робить діапазон потужності безщіткового двигуна постійного струму з постійним магнітом малим, а максимальна потужність становить лише десятки кіловат. Коли матеріал постійного магніту піддається вібрації, високій температурі та струму перевантаження, його магнітна проникність може зменшитися або розмагнітитися, що призведе до зниження продуктивності двигуна з постійним магнітом і навіть до пошкодження двигуна в серйозних випадках. Перевантаження не виникає. У режимі постійної потужності безщітковий двигун постійного струму з постійним магнітом складний в експлуатації та вимагає складної системи керування, що робить систему приводу безщіткового двигуна постійного струму з постійним магнітом дуже дорогим.
2.4 Реактивний двигун
2.4.1 Основні характеристики реактивного двигуна
Імпульсний реактивний двигун є новим типом двигуна. Система має багато очевидних особливостей: її структура простіша, ніж будь-який інший двигун, і немає контактних кілець, обмоток і постійних магнітів на роторі двигуна, а лише на статорі. Є проста зосереджена обмотка, кінці обмотки короткі, міжфазна перемичка відсутня, що легко обслуговувати та ремонтувати. Тому надійність хороша, а швидкість може досягати 15000 об/хв. ККД може досягати від 85% до 93%, що вище, ніж у асинхронних двигунів змінного струму. Втрати в основному в статорі, а двигун легко охолодити; ротор є постійним магнітом, який має широкий діапазон регулювання швидкості та гнучкий контроль, який легко досягти різних спеціальних вимог до характеристик крутного моменту та швидкості та підтримує високу ефективність у широкому діапазоні. Він більше підходить для вимог щодо потужності електромобілів.
2.4.2 Система керування реактивним двигуном
Імпульсно-реактивний двигун має високу ступінь нелінійності, тому система його приводу більш складна. Його система управління включає в себе перетворювач живлення.
a. Обмотка збудження реактивного двигуна силового перетворювача, незалежно від прямого або зворотного струму, напрям крутного моменту залишається незмінним, а період комутується. Для кожної фази потрібна лише трубка перемикача живлення з меншою ємністю, а схема перетворювача потужності є відносно простою, без прямих збоїв, високою надійністю, простим у реалізації плавним пуском і чотириквадрантною роботою системи, а також потужною можливістю рекуперативного гальмування . Вартість нижче інверторної системи керування трифазним асинхронним двигуном змінного струму.
b. Контролер
Контролер складається з мікропроцесорів, цифрових логічних схем та інших компонентів. Згідно з командою, введеною водієм, мікропроцесор аналізує та обробляє положення ротора двигуна, отримане одночасно від датчика положення та детектора струму, і миттєво приймає рішення та видає серію команд виконання керувати реактивним двигуном. Адаптація до експлуатації електромобілів у різних умовах. Продуктивність контролера та гнучкість налаштування залежать від взаємодії програмного та апаратного забезпечення мікропроцесора.
в. Детектор положення
Імпульсно-реактивні двигуни вимагають високоточних детекторів положення, щоб надавати системі керування сигнали про зміни положення, швидкості та струму ротора двигуна, а також вимагають вищої частоти перемикання для зменшення шуму реактивного двигуна.
2.4.3 Недоліки реактивних двигунів
Система керування реактивним двигуном дещо складніша, ніж системи керування іншими двигунами. Детектор положення є ключовим компонентом реактивного двигуна, і його продуктивність має важливий вплив на роботу керування реактивним двигуном. Оскільки реактивний двигун є подвійно помітною конструкцією, неминуче виникає коливання крутного моменту, а шум є головним недоліком реактивного двигуна. Проте дослідження останніх років показали, що шум реактивного електродвигуна можна повністю придушити шляхом прийняття розумного дизайну, виробництва та технології керування.
Крім того, через велике коливання вихідного моменту реактивного електродвигуна та велике коливання постійного струму силового перетворювача на шині постійного струму потрібно встановити великий конденсатор фільтра.У різні історичні періоди автомобілі використовували різні електродвигуни, використовуючи двигун постійного струму з найкращою ефективністю управління та нижчою ціною. З безперервним розвитком технологій двигунів, технологій виробництва машин, технологій силової електроніки та технологій автоматичного керування, двигунів змінного струму. Безщіточні двигуни постійного струму з постійними магнітами та реактивні електродвигуни демонструють кращу продуктивність порівняно з двигунами постійного струму, і ці двигуни поступово замінюють двигуни постійного струму в електромобілях. У таблиці 1 порівнюються основні характеристики різних електродвигунів, що використовуються в сучасних електромобілях. В даний час вартість двигунів змінного струму, двигунів з постійними магнітами, реактивних двигунів і пристроїв їх керування все ще відносно висока. Після масового виробництва ціни на ці двигуни та пристрої керування агрегатами швидко знижуватимуться, що відповідатиме вимогам економічної вигоди та знизить ціну на електромобілі.
Час публікації: 24 березня 2022 р